某車型偏置碰撞后排女性假人下潛的判定及改善研究

向保才 黃強(qiáng) 郭剛 甘玲 王恒

摘? 要：本文依據(jù)C-NCAP評(píng)價(jià)規(guī)則，判定某新開(kāi)發(fā)車型在40%偏置正面碰撞中后排女性假人發(fā)生下潛，針對(duì)下潛問(wèn)題，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象和類似問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，總結(jié)出本次下潛的關(guān)鍵影響因素，提出快速的改善方案，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證有效。本次防下潛研究為下潛問(wèn)題提供了改善思路，同時(shí)也為后續(xù)新車型開(kāi)發(fā)提供了設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：C-NCAP;下潛;安全帶

中圖分類號(hào)：U467.1+4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2018）06-0035-07

A Research on the Judgment and Improvement of

Submarining of Rear Female Dummy

XIANG Bao-cai， HUANG Qiang， GUO Gang， GAN Ling， WANG Heng

（ DongFeng Motor Corporation Technical Center， wuhan 430056， China ）

Abstract： Based on the C-NCAP evaluation rule， this paper judges that the Rear female dummy in the front collision of a new development model have the Submarining problem.For this Submarining problem， Combining the experimental phenomenas and the similar problems. Summarizing the key influencing factors， putting forward the rapid improvement plan， and the effect ofimproved test is obvious. The dodge research for the dive problem provides improved ideas， but also for the follow-up to provide a new model design reference.

在模擬現(xiàn)實(shí)中汽車碰撞的碰撞試驗(yàn)中，下潛專指座椅上的假人在隨車進(jìn)行減速度前向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，假人臀部發(fā)生明顯的下沉，作用在骨盆位置處的合力（包括座椅、安全帶等作用）不均衡，此時(shí)安全帶的腰帶會(huì)從作用于臀部較為堅(jiān)硬的髂骨部位滑脫，直接作用于柔軟的腹部，造成腹部軟組織受傷，更嚴(yán)重時(shí)安全帶的肩帶也會(huì)脫離假人的肩部和胸部，直接作用于頸部，造成假人頭頸部的二次傷害。2015版的C-NCAP規(guī)則開(kāi)始對(duì)64Km/h的40%偏置正面碰撞和50Km/h的完全正面碰撞的考察中，量化了后排5%分位女性假人下潛的判定細(xì)則，加大了C-NCAP五星車型的獲取難度，直至2017年下半年，部分C-NCAP評(píng)價(jià)車型依然存在下潛的問(wèn)題。

某車型在開(kāi)發(fā)前期進(jìn)行64Km/h的40%偏置正面碰撞摸底實(shí)驗(yàn)中，依據(jù)下潛的判定細(xì)則判定后排女性假人發(fā)生下潛并扣1分，使得初定的五星安全目標(biāo)的達(dá)成存在風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)下潛關(guān)鍵影響因素的分析，并實(shí)施相應(yīng)的改善措施，能夠防止下潛的發(fā)生，從而規(guī)避了下潛扣分的風(fēng)險(xiǎn)。本文據(jù)此對(duì)其展開(kāi)分析，為方便稱呼此車型為H車型。

1? ? 下潛判定

《C-NCAP管理規(guī)則（2015年版）》中開(kāi)始明確第二排女性假人的下潛通過(guò)髂骨受力情況進(jìn)行判斷：在假人骨盆向前，髂骨受力減小階段，在持續(xù)1ms的時(shí)間范圍內(nèi)，若髂骨力減小速率大于1000N/ms，判斷發(fā)生了下潛;在骨盆回彈階段，若減小速率大于1000N/ms，但此時(shí)髂骨力小于2400N的情況除外。另外，髂骨受力不穩(wěn)定時(shí)，以完全卸載階段的信號(hào)進(jìn)行判斷，作為參考，可以通過(guò)車載攝像機(jī)的視頻圖像及安全帶腰帶力曲線進(jìn)行輔助確認(rèn)[1]。結(jié)合《C-NCAP管理規(guī)則（2015年版）中關(guān)于后排假人下潛判定方法》，得出下圖1所示的下潛判定流程圖[2]。

圖2為本次試驗(yàn)的后排女性假人的左、右髂骨力曲線，由步驟一、二可得出圖3所示的假人左、右髂骨的髂骨力卸載速率V。為方便描述，圖中超過(guò)1000N/ms的波峰分別標(biāo)記為波峰a、波峰b、波峰c?？傻贸鱿鄳?yīng)的ΔTa=0.7ms、ΔTb=1.4ms、ΔTc=1.7ms、ta1=75.4ms、tb1=90.4ms、tc1=75.6ms。

圖4、圖5分別為本次試驗(yàn)假人骨盆和車身B柱的減速度、速度曲線，由圖5可得出圖t2=114ms。

由以上分析匯總得出下表1所示的信息，無(wú)需再進(jìn)行第四步即可判斷假人下潛的情況，據(jù)此可判定本次試驗(yàn)的后排女性假人左、右兩側(cè)均發(fā)生下潛，即總分中扣除1分。

2? ? 下潛的原因分析

影響下潛的因素眾多，涉及到整車、座椅、安全帶、帶扣等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安全帶的預(yù)緊、限力和鎖舌的動(dòng)態(tài)鎖止等功能，同時(shí)也涵蓋被動(dòng)約束系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)。本文主要從以下幾個(gè)最有可能導(dǎo)致本次下潛發(fā)生的重要因素進(jìn)行展開(kāi)分析。

2.1? ?防下潛梁強(qiáng)度

摸底實(shí)驗(yàn)后通過(guò)拆解車輛結(jié)構(gòu)件發(fā)現(xiàn)，后排座椅的防下潛梁疑似因?yàn)閺?qiáng)度不足發(fā)生較大地壓塌變形。如下圖6 所示的側(cè)視圖，此車的防下潛梁基本由3塊厚度較厚的面板組成梯形結(jié)構(gòu)，梯形內(nèi)部局部增加支撐斜板。在假人隨車向前做減速度水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，因坐墊一般會(huì)做得比較柔軟舒適，假人還會(huì)有略微的豎直向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，此時(shí)防下潛梁的梯形斜面可以起到較好的支撐坐墊并阻礙假人向下運(yùn)動(dòng)的作用，從而取得防止假人下潛的作用。如圖7所示為碰撞完成后的梯形板梁結(jié)構(gòu)，可明顯看出整個(gè)梯形支撐面因強(qiáng)度不足已經(jīng)被壓塌變形，在碰撞中無(wú)法有效阻礙假人向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，從而導(dǎo)致防下潛的作用大打折扣。依據(jù)上述分析可以得出防下潛梁的強(qiáng)度不足是發(fā)生下潛的原因之一。

2.2? ?防下潛梁位置

關(guān)于防下潛梁的位置，行業(yè)內(nèi)基于大量的理論、CAE、實(shí)踐基本形成了一個(gè)較為被廣泛認(rèn)同的防下潛硬點(diǎn)設(shè)計(jì)區(qū)域趨勢(shì)圖[3]，如下圖8所示。根據(jù)假人到H點(diǎn)的X向、Z向距離的遠(yuǎn)近依次分為綠色、橙色、黃色區(qū)域，綠色區(qū)域?yàn)樽罴训挠颤c(diǎn)設(shè)

計(jì)區(qū)域，橙色為次佳區(qū)域，黃色為可接受區(qū)域。同樣的防下潛結(jié)構(gòu)分別布置在綠色、橙色、黃色三種區(qū)域內(nèi)，相應(yīng)的防下潛效果會(huì)依次遞減。但在車型開(kāi)發(fā)時(shí)往往因?yàn)樾枰獙⒆卧O(shè)計(jì)得更加舒適性，從而導(dǎo)致包括防下潛梁在內(nèi)的各種剛性骨架離人體更加遠(yuǎn)，防下潛梁硬點(diǎn)的設(shè)計(jì)位置往往會(huì)處于橙色、黃色或者更遠(yuǎn)更差的位置。從圖6中可看出此車的防下潛梁的硬點(diǎn)處于黃色的可接受區(qū)域的邊界上，基本快要脫離可接受的范圍。由此可得出此車的防下潛梁在設(shè)計(jì)之初做了很大的讓步犧牲，防下潛梁的位置設(shè)計(jì)在一個(gè)較差的區(qū)域，防下潛梁無(wú)法起到更好的防下潛效果。依據(jù)上述分析可以得出防下潛梁的設(shè)計(jì)位置不佳是發(fā)生下潛的原因之一。

2.3? ?安全帶下固定點(diǎn)的水平設(shè)計(jì)角度

在分析水平設(shè)計(jì)角度前，我們先分析下安全帶走向?qū)ο聺摦a(chǎn)生影響的原理。如圖9所示的正面碰撞時(shí)后排使用的混III 5%分位女性假人的側(cè)視圖[4]，其中P為髂骨處的皮膚高度，可近似理解為假人腹部下端到大腿的距離。q表示髂骨傳感器的高度。如圖10所示髂骨處的安全帶佩戴示意圖，L表示腰帶中心點(diǎn)至大腿上方的距離，即腰帶的佩戴高度。當(dāng)L>P時(shí)，表明腰帶已經(jīng)基本脫離骨盆，直接作用于腹部軟組織，兩者的差值越大，下潛的越明顯。當(dāng)L

如下圖11所示的安全帶腰帶走向示意圖，在車輛同一地板水平面上分別選取不同的下固定點(diǎn)A、B、C，分別模擬出安全帶的織帶走向，每種走向分別對(duì)應(yīng)一個(gè)水平設(shè)計(jì)角度θ，θ即為織帶走向與水平線的夾角。同時(shí)每種狀態(tài)的織帶對(duì)假人的約束力分別為FA、FB、FC。從圖中可以看出，隨著下固定點(diǎn)的后移，θ在逐漸減小，此時(shí)約束力的走向也發(fā)生著變化，其中FA對(duì)髂骨質(zhì)心的力矩為逆時(shí)針?lè)较虻牧?，F(xiàn)B對(duì)髂骨質(zhì)心沒(méi)有產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力矩，F(xiàn)C對(duì)髂骨質(zhì)心的力矩為順時(shí)針?lè)较虻牧亍腇A往FC過(guò)渡會(huì)逐漸加大假人下潛的傾向。因此我們得出：安全帶下固定點(diǎn)的水平角度越小，越易加劇假人下潛的傾向。

如下圖12所示的此車的安全帶下固定點(diǎn)水平設(shè)計(jì)角度示意圖，θ1為帶扣側(cè)的腰帶走向示意圖，θ2為非帶扣側(cè)的腰帶走向示意圖，其中θ1為34.3°，θ2為51.9°，滿足法規(guī)GB14167-2013中對(duì)于安全帶下固定點(diǎn)的30°-80°的角度范圍要求。但θ1的角度明顯偏小而接近法規(guī)的下限值。如圖13 所示的安全帶下固定點(diǎn)圖，從圖A中可看出此車的后地板呈現(xiàn)出后高前低的溜坡造型，紅色鈑金處于較高位置，黃色面為溜坡面，橙色面處于較低位置。出于某種考慮帶扣需要從座椅靠背和坐墊的縫隙中伸出來(lái)，帶扣的下固定點(diǎn)設(shè)計(jì)得比較偏后。綜合結(jié)果就是帶扣下固定點(diǎn)設(shè)計(jì)得偏后且偏上，兩種原因都將導(dǎo)致θ1設(shè)計(jì)得更小。

另外為了使帶扣的安裝和使用更加方便，座椅靠背上專門設(shè)計(jì)了圖B中所示的彈性拉帶。同時(shí)坐墊因?yàn)槊烙^的考慮，在帶扣的織帶出口處沒(méi)有設(shè)計(jì)導(dǎo)向凹槽，如圖A中的紅色圓圈處無(wú)導(dǎo)向凹槽。兩種方案同時(shí)實(shí)施導(dǎo)致帶扣的實(shí)際走向呈現(xiàn)出了圖12中所示的走向，即織帶方向并非沿著設(shè)想的黃實(shí)線，而是沿著圖中的藍(lán)虛色，使織帶的約束力走向?qū)墓琴|(zhì)心的力矩為順時(shí)針?lè)较虻膬A向更加明顯，從而加劇了假人的下潛傾向。

2.4? ?坐墊的發(fā)泡硬度、設(shè)計(jì)角度和表皮摩擦力

將假人簡(jiǎn)化成如圖14所示的模型，假人分解成以臀部中心為鉸鏈中心的幾何體，紫色為上軀干，紅色為下軀干，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。其中狀態(tài)A為靜態(tài)乘坐姿態(tài)，上、下軀干都緊貼靠背和坐墊。狀態(tài)B為下潛姿態(tài)，此時(shí)鉸鏈中心處于較前較下的位置，下軀干前向位移量較大，上軀干接近直立且前撲現(xiàn)象不明顯。狀態(tài)C為非下潛姿態(tài)，此時(shí)假人向下運(yùn)動(dòng)不是很明顯，上軀干向前傾斜且前撲現(xiàn)象明顯。

在假人隨車進(jìn)行前向減速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，上軀干僅受安全帶的肩帶的約束，下軀干同時(shí)受安全帶的腰帶和座椅發(fā)泡、防下潛梁等的約束，上、下軀干的前向減速運(yùn)動(dòng)會(huì)不同步。上、下軀干最開(kāi)始前向位移量會(huì)保持一致，隨著鉸鏈中心處的骨盆受到的約束力越來(lái)越強(qiáng)，下軀干會(huì)隨著骨盆一起運(yùn)動(dòng)至最前端而停止向前運(yùn)動(dòng)，上軀干會(huì)一直向前運(yùn)動(dòng)直至上織帶的受力達(dá)到設(shè)定的力值。通常情況下上軀干較下軀干前向位移量會(huì)更多，形成比較明顯的上軀干的前撲現(xiàn)象，即狀態(tài)C的姿態(tài)。但當(dāng)坐墊發(fā)泡硬度較軟時(shí)，發(fā)泡無(wú)法阻擋鉸鏈中心處的骨盆因人體重力而產(chǎn)生的向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)假人坐姿偏低，髂骨質(zhì)心也會(huì)偏低，腰帶約束力相對(duì)假人偏上，腰帶約束力對(duì)髂骨質(zhì)心的力矩為順時(shí)針?lè)较虻膬A向更加明顯，同時(shí)因腰帶約束力相對(duì)假人偏上，假人上軀干有受到腰帶約束力的趨勢(shì)，上軀干的前向位移也會(huì)相應(yīng)減小，從而易于形成狀態(tài)B的姿態(tài)。找到假人在骨盆開(kāi)始回彈時(shí)刻t2=114ms時(shí)的圖片如圖15所示，可明顯看出假人上軀干被安全帶緊緊地勒住，上軀干沒(méi)有比下軀干多出明顯的位移，上軀干的姿態(tài)十分接近圖14中狀態(tài)B的姿態(tài)，且?guī)缀鯖](méi)有前撲的趨勢(shì)。

關(guān)于坐墊的設(shè)計(jì)角度，如下圖16所示，記L點(diǎn)為假人大腿及以上部位的最低點(diǎn)，以L點(diǎn)為起點(diǎn)做一條水平線A，F(xiàn)阻礙力為水平線A以上的發(fā)泡對(duì)假人前向運(yùn)動(dòng)的阻礙約束力。當(dāng)坐墊傾角α=0°時(shí)，坐墊表面為水平面，理想狀態(tài)下水平線A以上沒(méi)有發(fā)泡，即假人的向前運(yùn)動(dòng)不受坐墊的阻礙約束，實(shí)際上因假人自重對(duì)坐墊會(huì)產(chǎn)生較小的壓塌變形，從而坐墊表皮會(huì)對(duì)假人產(chǎn)生向后的摩擦阻力，此時(shí)F阻礙力≌F摩擦力。當(dāng)α>0°時(shí)，水平線A以上會(huì)存在發(fā)泡，這部分發(fā)泡在假人向前的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)被壓縮而產(chǎn)生巨大的變形，從而對(duì)假人產(chǎn)生向后的彈性阻力，此時(shí)F阻礙力=F摩擦力+F彈性阻力，且通常情況下F彈性阻力遠(yuǎn)大于=F摩擦力。α越大，水平線A以上的發(fā)泡越多，F(xiàn)彈性阻力也就越大，而從F阻礙力越大，最終導(dǎo)致假人下軀干向前的水平位移越小，在上軀干水平位移不變的情況下，假人下潛的趨勢(shì)越小。

關(guān)于坐墊表皮摩擦力，隨著表皮材質(zhì)的不同，摩擦力也會(huì)不一樣，摩擦力越大，假人受到的阻礙力越大，前向位移越小，在上軀干水平位移不變的情況下，假人下潛的趨勢(shì)越小。

2.5? ?其它影響因素

除以上分析的重要影響因素，其它很多因素都會(huì)對(duì)是否下潛產(chǎn)生影響，但都并非導(dǎo)致本次下潛的關(guān)鍵因素，如安全帶預(yù)緊功能的有無(wú)，提前預(yù)緊能夠消除安全帶和假人之間的間隙，降低假人下軀干向前的位移量，在上軀干水平位移不變的情況下，假人下潛的趨勢(shì)越小;如帶扣的鎖盒高度，當(dāng)鎖盒高到緊貼假人臀部及以上部位時(shí)，因鎖盒為剛性件，對(duì)假人臀部的包覆性沒(méi)有織帶強(qiáng)，從而達(dá)不到最佳的約束效果，而不利于阻礙假人下軀干的前向位移。等等這些都會(huì)對(duì)假人下潛產(chǎn)生影響，本次不再深入展開(kāi)。

3? ? 防下潛的對(duì)策

如下表2所示，基于以上對(duì)于影響本次下潛的重要影響因素的分析，總結(jié)出本次碰撞四大結(jié)構(gòu)件帶來(lái)的9個(gè)方面的影響。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象和相關(guān)論文中有關(guān)問(wèn)題的分析總結(jié)，得出本次下潛的重要影響因素，因車身鈑金數(shù)據(jù)已固化，無(wú)法做較大更改，本次僅實(shí)施四項(xiàng)較易達(dá)成的改善措施：

措施一：增加防下潛梁的強(qiáng)度，在防下潛梁的腔體內(nèi)部增加兩塊梯形加強(qiáng)板。

措施二：坐墊發(fā)泡開(kāi)凹槽，如圖18所示坐墊開(kāi)槽后，通過(guò)數(shù)模模擬可看出帶扣織帶的走向基本沿著設(shè)計(jì)的方向

措施三：取消帶扣的彈性拉帶，如圖18所示拉帶取消后，通過(guò)數(shù)模模擬可看出帶扣織帶的走向基本沿著設(shè)計(jì)的方向

措施四：帶扣長(zhǎng)度剪短20mm，因坐墊發(fā)泡、拉帶的改善，使帶扣走向沿著設(shè)計(jì)的方向，但鎖盒會(huì)比原來(lái)實(shí)際佩戴的高度較高，高度較高不利于腰帶對(duì)于假人的包覆和約束力，故織帶長(zhǎng)度剪短。

4? ? 改善效果

表2 后排女性假人防下潛對(duì)策表

將改善的方案搭載實(shí)車進(jìn)行64Km/h的40%偏置正面碰撞，按照?qǐng)D1所示的下潛判定流程圖，進(jìn)行第一步后可得出如圖19、圖20的后排假人的髂骨力、髂骨力卸載速率曲線，從圖20可以看出Vmax遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1000N/ms，從而判定假人未下潛，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出改善方案效果明顯。

5? ? 總結(jié)

隨著C-NCAP評(píng)價(jià)規(guī)則的深入發(fā)展，后排乘客的安全防護(hù)性能越來(lái)越受到重視。本文針對(duì)某五星目標(biāo)車型開(kāi)發(fā)初期后排假人的下潛問(wèn)題，結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和行業(yè)內(nèi)類似問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，找出下潛的關(guān)鍵影響因素，為車型開(kāi)發(fā)提供了快速有效的改善優(yōu)化方案。同時(shí)本次案例也為后續(xù)新項(xiàng)目提供了參考，在新車型開(kāi)發(fā)時(shí)，后排與防下潛相關(guān)的防下潛梁、座椅、安全帶等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需規(guī)范要求，不能一味地追求舒適性、美觀性而忽略安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]C-NCAP管理規(guī)則（2015年版），中國(guó)汽車技術(shù)研究中心[S].

[2]李永剛，張義，黃強(qiáng)，等.C-NCAP 2015后排女性假人下潛研究[J].汽車科技，2015（5）：56-61.

[3]劉鵬，段小剛，楊興明.汽車座椅防潛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].汽車科技，2015（6）：42-45.

[4]First Technology Safety Systems.“208.”O(jiān)ccupant Crash Protection ， CFR 49.571.208[S].2005.

[5]唐亮，劉晉浩，程朋樂(lè)，等.乘員下潛傾向判斷準(zhǔn)則的研究[J].汽車工程，2014（6）：694-699.